用于RF发生器中的频率调谐的装置的制作方法

本公开总体涉及射频(rf)发生器，并且更具体地，涉及用于调谐rf发生器的频率的装置和技术，所述rf发生器以一种期望的方式向等离子体处理室供应功率以改变等离子体负载的阻抗。

背景技术：

在等离子体处理中，射频(rf)发生器用于向等离子体负载供应功率。如今先进的等离子处理包括甚至更复杂的配方(recipe)和配方改变程序，其中，负载(等离子体)阻抗动态变化。这使得将rf发生器的源阻抗与等离子体的负载阻抗相匹配用于有效的功率传输变得具有挑战性。可以使用匹配网络来执行这种阻抗匹配，但是在现代短时等离子体处理的背景下这种方法相对较慢。另一种方法是调节rf发生器的频率，这改变了等离子体负载的阻抗。在此上下文中，“等离子体负载”包括等离子体本身和任何匹配网络。这种方法具有比调节匹配网络快得多的潜力。组合这两种技术(一个或多个匹配网络和频率调谐)也是可能的。

传统的频率调谐算法难以优化用于这些先进的等离子体处理的参数，因为同时需要频率稳定性和快速频率调谐这两者。因此，本领域需要一种用于rf发生器中的频率调谐的改进装置。

技术实现要素：

以下概述了图中示出的本发明的示例性实施方式。在具体实施方式部分中更全面地描述了这些和其他实施方式。然而，应该理解的是，不意图将本发明限制到本发明内容或具体实施方式中描述的形式。本领域技术人员可以认识到，存在许多修改、等同物和替代构造，这些修改、等同物和替代构造落入如权利要求中表达的本发明的精神和范围内。

一个方面的特征在于一种射频(rf)发生器，其包括：生成以初始频率振荡的信号的激励器、放大所述信号以产生放大的振荡信号的功率放大器、过滤放大的振荡信号以产生向等离子体处理室中的等离子体负载供应功率的输出信号的滤波器、感测等离子体负载的至少一个属性的传感器、以及频率调谐子系统。

所述频率调谐子系统包括：编码有指令的非暂时性有形机器可读介质，所述指令用于执行一种方法，所述方法包括：接收作为激励器频率的函数的等离子体负载的阻抗轨迹；接收复合反射系数平面中的参考点，所述参考点位于穿通过参考点和复合反射系数平面的原点的参考矢量上；从传感器接收等离子体负载的测量的阻抗，所述测量的阻抗位于沿接收的阻抗轨迹上；确定在参考矢量与线之间的测量角度，其表示为复合反射系数，所述线穿通过参考点和与测量的阻抗相对应的复合反射系数平面中的点；以预定常数缩放所述测量角度以产生频率步长；将所述频率步长加到初始频率以产生调节过的频率；以及使激励器生成以调节过的频率振荡的信号。

另一方面的特征在于，所述方法包括：迭代地重复从传感器接收测量的阻抗、确定、缩放、添加和引起第一次迭代之后的每次迭代中的初始频率，所述初始频率为在前一次迭代期间产生的调节过的频率。

又一方面的特征在于，所述方法包括：通过从测量角度减去预定的失谐角度并以预定常数缩放所述差值，产生频率步长。

附图说明

图1是根据本公开的实施方式的等离子体处理系统的框图；

图2是根据本公开的实施方式的rf发生器的框图；

图3是根据本公开的实施方式的复合反射系数平面的图示；

图4是根据本公开的实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法的流程图；

图5是根据本公开另一实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法的流程图；

图6是根据本公开的又一实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法的流程图；

图7是根据本公开的实施方式的复合反射系数平面的图示；

图8是根据本公开的实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法的流程图；

图9是根据本公开另一实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法的流程图；

图10是根据本公开的又一实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法的流程图；和

图11是描绘根据本发明的实施方式的可用于实现频率调谐子系统的物理部件的框图。

具体实施方式

如果(1)在每次频率调节迭代时以正确的方向(向上或向下)调节rf发生器的频率，以及(2)频率步长(频率中的调节)是适应性的，使得当当前频率远离目标频率时应用大步长(促进快速调谐)，以及当当前频率接近目标频率时应用小步长(促进稳定性)，那么，用于射频(rf)发生器中的频率调谐的装置可以提供稳定性和快速调谐。如下面进一步解释的，在一些实施方式中，目标频率对应于最小γ(复合反射系数)，并且，在其他实施方式中(失谐实施方式)，目标频率对应于除最小γ之外的有意选择的γ。

实现这些目标的一个关键是预先将等离子体负载的阻抗表征为发生器频率的函数。这种表征可以通过分析电路模型、通过初步测试(测量)、或这些技术的组合来完成。例如，可以跨越特定范围(例如，13mhz至14mhz)的多个不同频率中的每一个处测量等离子体负载的阻抗。这种初步表征可以产生作为发生器频率的函数的用于负载的“阻抗轨迹”。所述阻抗轨迹可以表示为复合反射系数γ，如下面进一步讨论的。一旦知道所述阻抗轨迹，在每次频率调节迭代时计算正确的频率步长方向(正或负)和适当的频率步长大小就是可能的，如下面进一步说明的。

现在参考附图，其中，贯穿几个视图相同或相似的元件用相同的附图标记表示，并且特别参考图1，其是根据本公开的实施方式的等离子体处理系统的框图。在图1中，等离子体处理系统100包括rf发生器105，其直接或间接地经由一个或多个匹配网络110向等离子体处理室115中的等离子体(未示出)输出功率。这里，术语“等离子体负载”用于表示等离子体处理室115中的等离子体与可能存在的任何匹配网络110组合，这取决于特定实施方式(一些实施方式不包括匹配网络110)。换句话说，“等离子体负载”是指rf发生器105的输出驱动的整个负载。

图2是根据本公开的实施方式的rf发生器105的框图。rf发生器105包括激励器205、功率放大器210、滤波器215、传感器220和频率调谐子系统225。激励器205生成以rf频率振荡的信号，经常是以方波的形式。功率放大器210放大由激励器205产生的信号以产生放大的振荡信号。例如，在一个实施方式中，功率放大器210放大1mw的激励器输出信号至3kw。滤波器215过滤放大的振荡信号以产生由单个rf频率(正弦波)组成的信号。

传感器220测量等离子体处理室115中的等离子体负载的一个或多个属性。在一个实施方式中，传感器220测量等离子体负载的阻抗z。取决于特定实施方式，传感器220可以是，例如但不限于，vi传感器或定向耦合器。或者，这种阻抗可以表示为复合反射系数，本领域技术人员经常将其表示为“γ”(伽马)。频率调谐子系统225从传感器220接收阻抗测量值并处理那些测量值以产生频率调节，所述频率调节经由频率控制线230馈送到激励器205，以调节由激励器205生成的频率。下面结合图3-10详细讨论由频率调谐子系统225执行的说明性频率调谐算法。

在图2中所示的实施方式中，频率调谐子系统包括负载表征模块226、表征数据存储件227、和频率步长发生器228。负载表征模块226接收或帮助获取与特定等离子体负载相关联的初步负载阻抗表征数据，以产生阻抗轨迹(参见图3中的元素305)。在负载表征期间获得的数据可以存储在表征数据存储件227中。频率步长发生器228执行计算以生成频率调节(频率步长)，其经由频率控制线230馈送到激励器205。下面结合图3-10讨论由频率调谐子系统225执行特定说明性频率调谐算法。

如下面进一步讨论的，在一些实施方式中，目标是调节激励器205的频率，从而以最小化γ的方式(即，实现γ尽可能接近于零)改变等离子体负载的阻抗。如上所述，实现最小γ的频率可以称为目标频率。如本领域技术人员所理解的，理想的为零的复合反射系数与一匹配条件对应，在所述匹配条件中，源和等离子体负载阻抗完全匹配。在其他实施方式中，目标不是最小γ。相反，频率调谐子系统225有意地调谐激励器205以生成一频率，所述频率不同于产生最小γ的频率。这样的实施方式可以被称为“失谐”实现。

图3是根据本公开的实施方式的复合反射系数(γ)平面300的图示。图3示出了与由频率调谐子系统225执行的算法有关的概念。在图3中，复合反射系数γ被绘制在单位圆内。如本领域技术人员将认识到的，γ也可以绘制在标准史密斯圆图上。在图3中，横轴对应于γ的实部，纵轴对应于γ的虚部。图3示出了以γ表示的等离子体负载的预表征的阻抗轨迹305。如上所述，阻抗轨迹305可以通过分析、借助于负载表征模块226经由适当的用户界面执行的测试、或其组合来预先确定。本领域技术人员将认识到，阻抗轨迹305将不总是与原点340相交，如图3所示。在一些实施方式中，阻抗轨迹被移位，使得它不穿通过原点340，在这种情况下，可实现的最小γ大于零。

频率调谐子系统225的频率步长发生器228还经由合适的用户界面接收γ平面300中的参考点315。在一些实施方式中，参考点315根据参考角度320和幅度(参考点距原点340的距离)指定。如本领域技术人员将认识到的，原点340对应于在γ平面300中的单位圆的中心处具有坐标(0，0)的点。本领域技术人员还理解，给定参考角度320和幅度m，对于参考点315计算笛卡尔(cartesian)坐标是直截了当的。具体地，坐标可以被计算为real(γ)＝mcos(θref+π)和imag(γ)＝msin(θref+π)，其中，参考角度θref(320)以弧度表示，m是小于或等于1(unity)的正实数。在其他实施方式中，根据笛卡尔坐标(实部和虚部)接收参考点315。

一旦已经接收参考点，频率调谐子系统225的频率步长发生器228就可以确定参考矢量310。参考矢量310是穿通过参考点315和γ平面300的原点340的线，如图3所示。参考矢量310的一个重要功能是将γ平面300分成两个区域，在其中一个区域中，与测量点325相关联的频率高于最佳频率(图3中在参考矢量310右侧的区域)，以及在其中一个区域中，与测量点325相关联的频率低于最佳频率(图3中在参考矢量310左侧的区域)。通过确定测量点325位于两个区域中的哪个区域中，在每个且每次频率调节迭代时可以以正确方向(正或负)进行频率调节(参见下面的图5-6和图9-10)。

本领域技术人员将认识到，参考矢量310不需要是关于阻抗轨迹305(表示为γ)的对称轴。选择放置参考点315的位置(其又确定参考矢量310)在某种程度上是任意的，但是选择应计算支持有效频率调谐的有用测量角度330是可能的。这意味着选择参考点315，使得测量角度330随着激励器205频率接近目标频率而减小，为零的测量角度330对应于目标频率。

传感器220为频率调谐子系统225提供等离子体处理室115中的等离子体负载的阻抗的频率测量。图3中测量点325表示阻抗轨迹305(在γ平面300中表示为γ(复合反射系数))上的一个说明性阻抗测量值。频率调谐子系统225的频率步长发生器228为测量点325确定相对于参考矢量310的测量角度330。以预定的比例常数k(环路增益)缩放所述测量角度330，以产生频率步长(即，由激励器205生成的频率将被调节的量)。基于频率调谐算法的频率分辨率(例如，1khz对1hz)、测量角度计算的分辨率、以及等离子体负载的特定阻抗特性来选择k。环路增益k可以根据不同配方而不同，并且它可以根据负载阻抗中的变化在给定配方内变化，在这种情况下，配方中采用的多个k值可以存储在查找表中。将计算的频率步长加到初始或当前激励器频率，以产生更接近与所需等离子体负载阻抗对应的所需或目标频率的调节过的频率。然后，频率调谐子系统225经由频率控制线230使激励器205生成具有调节过的频率的rf信号。

图3中还示出的是γ阈值335，其功能将在下面结合图6进行说明。

图4是根据本公开的实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法400的流程图。由频率调谐子系统225执行图4中所示的方法。在框405处，频率调谐子系统225经由负载表征模块226接收对于等离子体处理室115中的等离子体负载的阻抗轨迹305。如上所述，阻抗轨迹305可以表示为复合反射系数(γ)，如图3中所示。在框410处，频率调谐子系统225的频率步长发生器228接收参考点315。在框415处，频率步长发生器228从传感器220接收对于等离子体负载的阻抗测量值。在框420处，频率步长发生器228确定对于与接收的阻抗测量值对应的测量点325的测量角度330。在框425处，频率步长发生器228然后以预定常数k缩放测量角度330以计算频率步长。注意，随着方法400的开始，激励器205生成以初始频率振荡的rf信号。在框430处，频率步长发生器228将所述频率步长加到由激励器205生成的初始频率，以产生调节过的频率。在框435处，频率调谐子系统225经由频率控制线230向激励器205发信号以生成以调节过的频率振荡的rf信号，这导致等离子体负载的阻抗改变为更接近期望的负载阻抗的值。

图5是根据本公开的另一实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法500的流程图。由频率调谐子系统225执行图5中所示的方法。方法500类似于方法400，除了在方法500中，在框415、420、425、430和435(频率调谐)处执行的操作在环路中迭代地重复。本领域技术人员将认识到，在所述实施方式中，在第一次迭代之后的每次迭代时的初始激励器205频率是在前一次迭代期间产生的调节过的频率。这可以在数学上表示为调节过的频率(或下一频率)＝当前频率+频率步长。在所述实施方式中，随着算法收敛到最佳频率，可以实现最小γ或非常接近零。

图6是根据本公开的又一实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法600的流程图。由频率调谐子系统225执行图6中所示的方法。方法600类似于方法400和500，除了方法600添加γ阈值335(0和1之间的值)用于一旦由激励器205生成的频率已经达到产生等离子体负载阻抗的值，所述值被认为足够接近所需值，则终止频率调节。方法600如方法500至框435那样进行。在决定框605处，频率步长发生器228确定当前测量点325处的γ是否在幅度上小于阈值335(在图3中示为围绕原点340的等幅圆形邻域)。如果是，则在框610处频率步长发生器228终止激励器205频率调节。在这种情况下，激励器205频率保持在其当前值处，并且不再对频率进行进一步调节。否则，如果当前测量点325处的γ的幅度大于或等于阈值335，则控制返回到框415，并且执行激励器205频率调节的再一次迭代。

图7-10介绍了另一族实施方式，其中，目标不是最小γ。如上所述，这些实施方式可以称为“失谐”实现。在一些实施方案中，由于其特定阻抗特性(阻抗轨迹)，选择失谐配置以利用特定等离子体负载实现更大的频率稳定性。

图7是根据本公开的实施方式的复合反射系数(γ)平面700的图示。为清楚起见，图3中示出的一些元素在图7不重复，但是图3和图7旨在结合下面讨论的失谐实施方式一起使用。与上面讨论的γ平面300类似，伽玛平面700包括阻抗轨迹305，表示为γ，参考矢量310，参考点315和参考角度320。参考点315以相同的方式被接收，如以上结合图3中的实施方式所述。诸如在图7中所示的失谐实施方式另外包括失谐点710，其是阻抗轨迹305上的预定点。参考矢量310和穿通过参考点315和失谐点710的“失谐矢量”715之间的角度可以被称为“失谐角度”705。在失谐实施方式中，频率调谐算法的目标频率是对应于失谐点710的频率(即，导致对应于γ平面700中的失谐点710的负载阻抗的频率)。可以选择失谐点710以实现期望的频率稳定性。如下面进一步说明的，从测量角度330(参见图3)中减去所述失谐角度705，并且以预定常数k缩放得到的差值。这导致由频率步长发生器228执行的频率调谐算法收敛到除了最小-γ点(即原点340(参见图3))之外的阻抗轨迹305上的点(即，失谐点710)。如下面将进一步解释的，失谐实施方式也可以利用γ阈值720。

图8是根据本公开的实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法800的流程图。由频率调谐子系统225执行在图8中所示的方法。方法800类似于方法400，除了在方法800中，在框805处，频率步长发生器228从测量角度330减去失谐角度705。在框810处，频率步长发生器228以预定常数k缩放得到的差值。其余的操作(框430和435)与上面结合图4讨论的方法400相同。

图9是根据本公开的另一实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法900的流程图。由频率调谐子系统225执行图9中所示的方法。方法900类似于方法800，除了在方法900中，在框415、805、810、430和435(频率调谐)处执行的操作在环路中迭代地重复。在所述实施方式中，激励器205频率收敛于或接近于产生等离子体负载阻抗的频率，所述等离子体负载阻抗对应于阻抗轨迹305(表示为γ)上的失谐点710。

图10是根据本公开的又一实施方式的用于调谐rf发生器的频率的方法1000的流程图。由频率调谐子系统225执行图10中所示的方法。方法1000类似于方法800和900，除了方法1000添加γ阈值720，用于一旦激励器205频率已经达到产生被认为足够接近于对应于失谐点710的等离子体负载阻抗的值时，则终止频率调节。方法1000如方法900那样进行至框435。在决定框1005处，频率步长发生器228确定当前测量点325(表示为γ，如图3所示)和失谐点710之间的差值的幅度是否小于阈值720。如果是，则在框1010处，频率调谐子系统225终止激励器205频率调节。否则，控制返回到框415，并且执行激励器205频率调节的再一次迭代。

在一些实施方式中，频率步长发生器228在以预定常数(环路增益)k缩放结果之前，将测量角度330升高到大于1的幂。本技术是当测量角度330小时提供相对小的频率步长，当测量角度330大时提供相对较大的频率步长的一种方式。换句话说，与测量角度330非线性地变化的频率步长可以进一步改善频率调谐算法的性能，诸如结合图4-6和图8-10描述的那些。

结合本文中所揭示的实施方式而描述的方法可直接体现于硬件中、编码于非暂时性机器可读介质中的处理器可执行指令中、或两者的组合。参考图11，例如，示出了描绘根据本公开的说明性实施方式的可用于实现频率调谐子系统225的物理部件及其部件模块的框图。如图所示，在所述实施方式中，显示部分1112和非易失性储存件1120耦合到总线1122，所述总线还耦合到随机存取储存件(“ram”)1124、处理部分(其包括n个处理部件)1126、现场可编程门阵列(fpga)1127、和包括n个收发器的收发器部件1128。尽管图11中描绘的部件代表物理部件，图11不意图是详细的硬件图；因此，图11中描绘的许多部件可以由共同的结构实现或者分布在另外的的物理部件中。此外，可以预期，可以利用其他现有的和尚未开发的物理部件和架构来实现参考图11所描述的功能部件。

显示部分1112经常操作用于为用户提供用户界面，并且在数个实现中，显示器由触摸屏显示器实现。例如，显示部分1112可用于结合表征等离子体负载来控制负载表征模块226并与其交互，以产生相关联的阻抗轨迹305。这样的用户界面还可用于输入参考点315。经常地，非易失性储存件1120是非暂时性储存件，其用于存储(例如，持久存储)数据和机器可读(例如，处理器可执行)代码(包括与实现本文描述的方法相关联的可执行代码)。在一些实施方式中，例如，非易失性储存件1120包括引导加载程序代码、操作系统代码、文件系统代码和非暂时性处理器可执行代码，以便于执行参考上面描述的图4-6和图8-10描述的方法。

在许多实施中，非易失性储存件1120由闪存(例如，nand或onenand储存件)实现，但是可以预期还可以使用其他储存件类型。尽管从非易失性储存件1120执行代码是可能的，但是非易失性储存件中的可执行代码经常被加载入到ram1124中并且由处理部分1126中的n个处理部件中的一个或多个执行。

在操作中，与ram1124相关联的n个处理部件经常可以操作以执行存储在非易失性存储件1120中的指令，以实现频率调谐子系统225的功能。例如，实现参考图4-6和图8-10描述的方法的非暂时性处理器可执行指令可以持久地存储在非易失性存储件1120中，并且由与ram1124关联的n个处理部件执行。如本领域普通技术人员将理解的，处理部分1126可以包括视频处理器、数字信号处理器(dsp)、图形处理单元(gpu)以及其他处理部件。

另外地或替代地，现场可编程门阵列(fpga)1127可以被配置为实现本文描述的方法(例如，参考图4-6和图8-10描述的方法)的一个或多个方面。例如，非暂时性fpga-配置-指令可以持久地存储在非易失性存储件1120中并由fpga1127存取(例如，在启动期间)，用于配置fpga1127以实现频率调谐子系统225的功能。

输入部件可以操作以接收信号(例如，从传感器220)，其指示输出发生器功率和等离子体处理室115中的等离子体负载的一个或多个属性。在输入部件处接收的信号可以包括，例如，电压、电流、正向功率、反射功率和等离子体负载阻抗。输出部件经常操作以提供一个或多个模拟或数字信号以实现发生器的操作方面。例如，在频率调谐期间输出部分可以经由频率控制线230将调节过的频率传送到激励器205。

所描绘的收发器部件1128包括n个收发器链，其可用于经由无线或有线网络与外部设备通信。n个收发器链中的每一个可以表示与特定通信方案(例如，wifi、以太网、profibus等)相关联的收发器。

提供先前对所公开的实施方式的描述是为了使任何所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。对于本领域技术人员来说，对这些实施方式的各种修改是明显的，并且这里定义的一般原理可以应用于其他实施方式，而不脱离本发明的精神或范围。因此，本发明并不旨在限于本文所示的实施方式，而是与符合本文所公开的原理和新颖特征的最宽范围相一致。